Опора скольжения шарошечного долота

 

Использование: шарошечное долото относится к устройствам для бурения скважин. Сущность изобретения: в опоре скольжения шарошечного долота, содержащей цапфу и шарошку с сопряженными поверхностями с допускающими ограниченное смещение и перекос оси шарошки относительно оси цапфы под действием реакции забоя скважин зазорами, начальные участки которых на 0,3 их рабочей длины выполнены суженными вовнутрь к вершине шарошки у радиальных и от наружного диаметра цапфы к ее оси опоры у опорных подшипников, зазоры в подшипниках скольжения разделены по длине на три участка и при смещении торца шарошки под действием реакции забоя вверх на большую величину, чем ее вершины, на среднем основном участке длиной 0,4 от рабочей длины зазора зазоры выполнены суженными под углом β между образующими цапфы и шарошки, равным математическому ожиданию угла перекоса оси шарошки относительно оси цапфы, на конечном участке зазоры выполнены расширенными для радиальных подшипников с углом между образующими цапфами и шарошки, равным трем средним квадратическим отклонениям S_β угла перекоса минус угол β и постоянным для упорных подшипников. На начальном участке угол между образующими цапфами и шарошками выполнен равным 3S_β + β, при смещении вершины шарошки вверх под действием реакции забоя на большую величину, чем ее торца, на среднем основном участке зазоры выполнены расширенными под углом β, на конечном участке угол между образующими цапфы и шарошки выполнен равным 3S_β + β, а на начальном - равным 3S_β - β. 3 ил.

Изобретение относится к буровой технике, а именно к опорам шарошечных долот для бурения скважин.

Известна опора типа АУ серийных шарошечных долот, включающая два радиальных и два упорных подшипника скольжения и один замковый подшипник [1] Недостатком этой опоры является высокая дисперсия показателя ее стойкости, которая существенно снижает среднюю стойкость долот. Изучение износа подшипников в промысловых условиях и на стенде показало, что при неблагоприятном распределении интенсивности нагрузки по длине образующих поверхностей скольжения подшипников наблюдается их схватывание и разрушение. При локальном схватывании резко снижается ресурс подшипника, а при обширном схватывании происходит отказ опоры и долота в целом. Основным фактором, обусловливающим неблагоприятное распределение нагрузки, является перекос оси шарошки относительно оси цапфы, обусловленный разностью зазоров в подшипниках в пределах допуска на их изготовление и эксцентриситетом поверхностей скольжения. Из-за высокой жесткости элементов опоры наибольшая интенсивность нагрузки приходится на части образующих, прилегающих к торцам радиальных подшипников, и возможно распределение нагрузки только на части рабочей поверхности подшипника. При этом на нагруженном краю подшипника суммируются контактные напряжения от наибольшей интенсивности нагрузки и концентрация напряжений от краевого эффекта. Поскольку величина перекоса является случайной, то схватывание имеет место только в тех случаях, у которых величина перекоса превышает критическую.

Известно буровое долото с усовершенствованным упорным подшипником, опора скольжения которого содержит цапфу и шарошку с сопряженными поверхностями скольжения, образующими радиальные и упорный подшипники. Подшипники выполнены с гарантированными зазорами, которые допускают смещение и перекос оси шарошки относительно цапфы под действием реакции забоя скважины. В подшипниках этой опоры начальные участки зазоров длиной 0,3 от их рабочей длины выполнены сужающимися вовнутрь к вершине шарошки у радиальных подшипников и от наружного диаметра цапфы у упорного подшипника [2] Такое выполнение опоры позволяет устранить только краевые эффекты у торцов со стороны лапы для радиальных и у наружного контура для упорного подшипника.

Недостатком опоры скольжения этого долота является то, что в ней не предусмотрено устранение краевых эффектов на противоположных сторонах подшипников скольжения и не учтено влияние перекоса оси шарошки относительно оси цапфы под действием реакции забоя на распределение интенсивности нагрузки по образующим поверхностей скольжения. Таким образом, причины возникновения изнашивания схватыванием устранены лишь частично.

Цель изобретения повышение стойкости опор шарошечных долот за счет устранения технических причин возникновения изнашивания схватыванием подшипников скольжения.

Указанная цель достигается тем, что в опоре скольжения шарошечного долота, содержащей цапфу и шарошку с сопряженными поверхностями скольжения, образующими радиальные и упорные подшипники с допускающими ограниченное смещение и перекос оси шарошки относительно оси цапфы под действием реакции забоя скважины зазорами, начальные участки которых на 0,3 их рабочей длины выполнены суженными вовнутрь к вершине шарошки у радиальных и от наружного диаметра цапфы к ее оси у упорных подшипников, зазоры в подшипниках скольжения разделены по длине на три участка и при смещении торца шарошки под действием реакции забоя вверх на большую величину, чем ее вершины, на среднем основном участке длиной 0,4 от рабочей длины зазора зазоры выполнены суженными под углом β между образующими цапфы и шарошки, равным математическому ожиданию угла перекоса оси шарошки относительно оси цапфы, на конечном участке зазоры выполнены расширенными для радиальных подшипников с углом между образующими цапфы и шарошками, равными трем средним квадратическим отклонениям S_β угла перекоса минус b и постоянным для упорных подшипников, а на начальном участке угол между образующими цапфами и шарошки выполнен равным 3S_β + β, и при смещении вершины шарошки вверх под действием реакции забоя на большую величину, чем ее торца, на среднем основном участке зазоры выполнены расширенными под углом b, на конечном участке угол между образующими цапфы и шарошки выполнен равным 3S_β + β, а на начальном равным 3S_β - β.

Обоснование углов между образующими поверхностей скольжения на цапфе и шарошке по участкам зазора приведено ниже при описании работы устройства.

Такое выполнение опор долота позволяет решить задачу повышения их стойкости за счет того, что при действии реакции забоя на шарошки рабочие поверхности скольжения подшипников будут прилегать друг к другу с углами между образующими на цапфах и шарошках, не превышающими критические, при которых нарушается нормальное окислительное изнашивание и происходит схватывание поверхностей. Выполнение расширяющихся к границам рабочей поверхности зазоров позволяет устранить краевые эффекты с обеих сторон поверхностей скольжения и улучшает их смазывание.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемая опора отличается тем, что зазоры в подшипниках скольжения разделены по длине не на два, а на три участка и выполнены на каждом участке с углами между образующими цапфы и шарошки в соответствии со статическими характеристиками угла перекоса оси шарошки относительно оси цапфы. Таким образом, заявляемая опора скольжения шарошечного долота соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники (Посташ С.А. Повышение надежности и работоспособности шарошечных долот. М. Недра, 1982, с. 78 - 100; Гаркунов Д. Н. Триботехника. М. Машиностроение, 1985, с. 335 -343) показало, что для устранения краевых эффектов в подшипниках используются фаски и скругления на кромках, а также выполнение одной из образующих поверхностей скольжения криволинейной с очень большим радиусом кривизны. Однако использование согласования формы и размеров зазоров в подшипниках скольжения по участкам со статическими характеристиками угла перекоса оси и охватывающей ее детали под рабочей нагрузкой неизвестно. Это и составляет наиболее существенное отличие предлагаемого решения от известных. Такое согласование обусловлено тем, что отличительной особенностью опоры скольжения долота от опор в других областях техники является ее большая жесткость, высокая интенсивность нагрузки на поверхностях трения и относительно малое расстояние между радиальными подшипниками скольжения, что делает названные известные методы недостаточными для предупреждения изнашивания схватывания. Все это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемой опоры критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 изображена в разрезе опора скольжения шарошечного долота в случае, когда зазоры на средних основных участках между поверхностями A и A' выполнены сужающимися к вершине шарошки; на фиг. 2 в случае, когда эти зазоры выполнены расширяющимися; на фиг. 3 относительное положение элементов опоры, которое они занимают под действием реакции забоя P в случае, когда .

Опора содержит лапу 1, цапфу 2 и шарошку 3. Шарошка фиксируется на цапфе замковым подшипником 4. Полость опоры загерметизирована уплотнением 5. Поверхности A и B на цапфе 2 и A' и B' в шарошке 3 образуют большой подшипник скольжения (БПС). Поверхности C и D на цапфе и C' и D' в шарошке образуют малый подшипник скольжения (МПС). Поверхности K, L и E на цапфе и поверхность E' в шарошке образуют упорный подшипник скольжения. Между поверхностями скольжения выполнены зазоры длиной l_Б, l_М и b. В пределах этой длины выделены начальный и конечный участки длиной 0,3l_Б, 0,3l_М и 0,3b. При этом длины средних основных участков зазора составляют 0,4l_Б, 0,4l_М и 0,4b соответственно (фиг.1). Начальные участки зазоров между поверхностями A и B' и C и D' у радиальных и между поверхностями K и E' у упорного подшипника сужаются под углом γ, а конечные участки между поверхностями B и A' и D и C' у радиальных подшипников расширяются под углом d. На основном среднем участке зазор между поверхностями A и A' может быть сужающимся (фиг. 1) или расширяющимся (фиг. 2) в зависимости от направления перекоса шарошки (фиг. 3), которое зависит от соотношения средних величин зазоров с нижней стороны опоры. Здесь зазор с нижней стороны БПС, а зазор с нижней стороны МПС, определяемые при совпадении оси шарошки с осью поверхности скольжения БПС на цапфе. Если , то зазор выполнен сужающимся под углом β, а если , то расширяющимся под углом β, и если , то β 0. В неравенствах средние величины зазоров h_Б и h_М в изготавливаемой партии долот.

Опора скольжения работает следующим образом (фиг. 3).

При бурении возникает реакция забоя P, которая смещает шарошку 3 вверх и к лапе 1 до соприкосновения поверхностей A'' и A' у БПС, C и C' у МПС и поверхностей L и E' у упорного подшипника (УП). Названные поверхности упруго деформируются, при этом включаются в работу по мере роста силы P все большие поверхности начальных и конечных участков зазора, но концентраций напряжений в крайних сечениях подшипников не возникает. В случае несовпадения угла перекоса β_o оси шарошки относительно оси цапфы из-за вариации зазоров в пределах полей допусков на изготовление деталей в первом случае контактирование в подшипниках скольжения начинается с точки M у БПС и с точки N у МПС, а не с крайних точек поверхностей скольжения в шарошке как у серийных долот. По мере упругого деформирования поверхностей происходит вовлечение в работу поверхностей скольжения с обеих сторон точек, а не с одной стороны. При этом углы между образующими соответствующих поверхностей скольжения меньше критических, при которых начинается изнашивание схватыванием. Особенностью работы упорного подшипника является то, что в первом случае при в контакте находится нижняя часть цапфы, как показано на фиг. 3, а во втором случае при верхняя часть цапфы.

Из фиг. 1 видно, что оси шарошки и цапфы могут оставаться параллельными при смещении шарошки вверх только на величину при или на величину Далее в первом случае шарошка будет поворачиваться относительно точки N до касания шарошкой цапфы в точке M, т.е. торец шарошки переместится вверх на большую величину, чем ее вершина, и возникает перекос оси шарошки относительно оси цапфы на угол β_o (фиг. 3). Во втором случае шарошка будет поворачиваться относительно точки M до касания шарошкой цапфы в точке N (фиг. 2), и вершина шарошки переместится вверх на большую величину, чем ее торец. При этом возникает перекос названных выше осей в противоположном направлении.

Угол перекоса равен Здесь и ниже tgβ_o = β_o, так как угол β_o весьма мал. Зазоры h в радиальных подшипниках равны h D d, (1) где D и d диаметры поверхностей скольжения в шарошке и на цапфе соответственно.

Тогда где e эксцентриситет на цапфе поверхности скольжения МПС относительно поверхности скольжения БПС; h_Б h_М зазоры в БПС и МПС, рассчитанные по формуле (1).

В формуле (2) l l₁, если h_Б h_М 2e > 0, и l l₂, если h_Б h_М 2e < 0.

Из формулы (2) следует, что угол перекоса β_o зависит не только от соотношения зазоров в радиальных подшипниках, но и от величины эксцентриситета e.

Серийные долота изготавливаются с постоянными по длине зазорами, т.е. углы β = γ = δ = 0. Следовательно, при нагружении шарошками и ее перекосе будет нарушена параллельность образующих поверхностей скольжения шарошки относительно образующих поверхностей скольжения цапфы на тот же угол β_o, т. е. будет создаваться неблагоприятное распределение нагрузки вдоль образующих подшипников скольжения, усугубляемое краевым эффектом.

Для оценки критического значения угла перекоса β_{ок u} было проведено изучение износа радиальных подшипников скольжения долот III215, 9TЗ-ГУА-R40, отработанных в Башкирии и Куйбышевской обл. Установлено, что величина критического угла по модулю составляет
На выборке деталей долот R40 были определены параметры распределения h_Б, h_М и e и рассчитаны параметры распределения угла перекоса β_o. Были получены следующие результаты:
среднее арифметическое значение угла
среднее квадратическое отклонение S_β = 34·10^-5 рад.
Проверка по критерию Пирсона показала, что полученное распределение не противоречит нормальному.

Область значений b_o с вероятностью 0,95 составляет от -8·10^-5 до 128·10^-5 рад. При этом в области от -70·10^-5 рад находится 61% опор (секций) долот. Будем считать эти секции кондиционными, а остальные некондиционными по углу перекоса оси шарошки относительно оси цапфы.

Долото считается некондиционным, если в его составе имеется хотя бы одна некондиционная секция. Тогда при относительном количестве n_c кондиционных секций можно случайным образом собрать относительное количество n_д долот, равное
n_д = n³_c = 0,61³= 0,23,
т.е. 23% кондиционных трехшарошечных долот.

В предлагаемой опоре скольжения для повышения ее долговечности предложено выполнять зазоры на их основном участке в соответствии с ожидаемым перекосом так, чтобы в рабочем положении средний угол между образующими шарошки и цапфы был равен нулю. Для этого по результатам изготовления небольшой начальной партии лап и шарошек, например, по 50 шт. определяются параметры распределения h_Б, h_М и e. Рассчитывается и доверительный интервал с вероятностью 0,95, т.е.

где M_βo математическое ожидание угла перекоса;
n объем выборки.

Если полученный интервал включает в себя нулевое значение угла M_βo, то величина β принимается равной нулю, а если нет, то Тогда при симметричном относительно нуля распределении углов β между образующими шарошки и цапфы в их рабочем положении и при том же среднем квадратическом отклонении S_β = 34·10^-5 рад попадает 0,96% секций с кондиционными опорами, из которых можно собрать
n_д = n³_c = 0,96³= 0,88,
т.е. 88% кондиционных шарошечных долот.

Дальнейшее повышение доли кондиционных опор может быть получено за счет уменьшения величины S_β, например, применением селективной сборки опор.

Для устранения краевых эффектов предусмотрено выполнение начального и конечного участков зазора. При этом ставится условие, чтобы даже в самом неблагоприятном случае крайние точки опоры не несли полную нагрузку. В ограниченных партиях долот практически все опоры по углу b_o находятся в интервале

с учетом запаса принимаем

т.е. интервал с 99%-й вероятностью. Тогда из фиг.1 следует, что в первом случае для начального участка.

а для конечного участка

Во втором случае

Таким образом, в предлагаемой опоре скольжения шарошечного долота обеспечивается нормальный режим изнашивания подшипников скольжения за счет согласования размеров зазоров по их рабочей длине с углом перекоса оси шарошки относительно оси цапфы под действием реакции забоя и за счет устранения краевых эффектов, что приведет к существенному увеличению долговечности опор и долот в целом и, следовательно, к улучшению показателей бурения скважин.

Источники информации:
1. Шарошечные долота и бурильные головки. Каталог /П.И.Сопин, Р.М. Богомолов, Ю.Г. Михайлин и др. М. ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, 1990, с. 54 55.

2. Pat. 5307887 USA Int. Cl. E 21 B 10/22, US Cl. 175/371. Earth boring bit with improved thrust bearing // M.F. Welsh/ 1994 (прототип).

Формула изобретения

Опора скольжения шарошечного долота, содержащая цапфу и шарошку с сопряженными поверхностями скольжения, образующими радиальные и упорные подшипники с допускающими ограниченное смещение и перекос оси шарошки относительно оси цапфы под действием реакции забоя скважины зазорами, начальные участки которых на 0,3 их рабочей длины выполнены суженными вовнутрь к вершине шарошки у радиальных и от наружного диаметра цапфы к ее оси у упорных подшипников, отличающаяся тем, что зазоры в подшипниках скольжения разделены по длине на три участка и при смещении торца шарошки под действием реакции забоя вверх на большую величину, чем ее вершины, на среднем основном участке длиной 0,4 от рабочей длины зазора зазоры выполнены суженными под углом β между образующими цапфы и шарошки, равным математическому ожиданию угла перекоса оси шарошки относительно оси цапфы, на конечном участке зазоры выполнены расширенными для радиальных подшипников с углом между образующими цапфы и шарошки, равным трем средним квадратическим отклонением S_β угла перекоса минус угол b и постоянным для упорных подшипников, а на начальном участке угол между образующими цапфы и шарошки выполнен равным 3S_β + β, и при смещении вершины шарошки вверх под действием реакции забоя на большую величину, чем ее торца, на среднем основном участке зазоры выполнены расширенными под углом b, на конечном участке, угол между образующими цапфы и шарошки выполнен равным 3S_β + β, а на начальном равным 3S_β - β.о

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3